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机器人遥操作系统：人类力量的倍增器

admin2024-02-09科技IT786

人类对于遥操作系统的憧憬由来已久，多部电影和著作中，都对于这种人类远程控制机器人加注了非常多的笔墨。几十年的研究和开发，加上不断改进的技术性能和更低的组件成本相结合，使昨天的科幻小说开始快速成为现实。

当前，遥操作系统正更频繁地出现在产业界和学术成果中。无论是近来异常火爆的QIBBOT拳击机器人等产品，还是在学术研究中成果频出的沉浸式灵巧手系统，遥操作已经快速打开了人们无限的想象空间，引起了研究者和产业界极大的兴趣。

▍遥操作系统价值愈发凸显

从技术上来说，一个合格的遥操作系统主要由感知系统和控制系统两大部分组成。其中，感知系统主要采用深度视觉人类行为感知和多模态数据手套等方式，实时感知人的手臂和手的运动姿态信息。控制系统则主要包括智能控制器、拟人机械臂和灵巧手，用于实现动作的复现。

在感知系统和控制系统中间，智能控制器是这一平台运行的核心。其作用主要是通过局域网实现感知系统和控制系统之间的数据通信，使实时感知到的人体手臂和手臂运动姿态信息进行数据融合处理，并智能控制拟人机械臂和灵巧手，进而稳定可靠地完成拟人化作业功能。

因此，本质上而言，人机交互遥操作机器人指依托于高速通信网络，通过各种传感设备，测量人肢体的运动信息，并作为控制指令，去控制机器人的运动与操作，同时再将机器人的视觉、力觉、触觉等各种感觉反馈给人，实现人与机器人的深度耦合。

然而遥操作系统的技术原理听起来简单，但要实现的难度却相当高。感知系统、控制系统、控制平台这三方面的不同方案，会影响系统的延时性和可靠性。由于遥操作系统的核心就是临场感程度，也就是机器人的视觉、力觉、触觉等各种感觉如何能第一时间能反馈给人，使人“身临其境”，同时也要通过各种传感设备收集人的动作、力度等数据，实时且精确控制远端机器人的运动，因此这必然需要硬件和算法的强大适配度。

以目前产业界和科研领域应用较为广泛的硅步Shadow 遥操作系统为例，Shadow 遥操作系统包括单臂和双臂两个版本，该系统硬件和软件开发生态上位于行业领先水平，具有典型的低延时、高动态响应特征，并已经形成了一套成熟的遥操作系统解决方案，能为国内用户提供完善的解决方案。

该系统集成了Shadow灵巧手，选配UR10e 机械臂及其控制柜等部件，由于Shadow灵巧手基于先进的磁力三维传感器机器人技术，具有明显的低延迟特征，Shadow Glove则能很好模仿人类手臂和手的运动，可以实现更高的灵活度与精准性。在此基础上，再借助HTC Vive Tracker 和 Vive Base Stations，才能高度直观地再现人类动作，使远距离精确、灵巧地进行作业任务成为可能。

综合而言，目前硅步提供的这套Shadow 遥操作系统，有着精确的运动学和动力学模型，通过将人类手部的运动情况转化为机械手能够解读的信号，从而实现远距离操控机械手运动，并且在此基础上借助力反馈等设备的加持，亦可以将机械手所获取到的触觉感知反馈给操作员，通过这样的双向反馈以获得更好的运动表现。

不仅如此，硅步提供的Shadow 遥操作系统还是一个开放式的开发平台，它基于 ROS 开发，研究者可以很容易的利用它进行二次开发，同时该系统采用模块化设计，用户还可以轻松添加组件并将其集成到系统当中，针对应用场景实现更高的定制化。这也是Shadow 遥操作系统得到了产业界和学术界非常多认可的重要原因。

▍研发到产业化的进程正加速

对产业界而言，遥操作是一种非常新颖且独特的形式，有着非常明确的市场化价值。

例如就游戏产业而言，与传统电脑游戏不同，遥操作带来的是物理与精神方面更多元化的感受，机器人会模仿人类的动作，并且实现实时的反馈。但机器人又放大了人类动作的意图，让这种快感更加迅猛，得益于当前通讯技术的飞速发展，机器指令的延迟大为降低，这使得机器人的动作速度也前所未有。

虽然我们距离真正拥有能够像“星球大战”R2-D2角色一样工作的机器人可能还有很远的时间，但当前Shadow 灵巧手以及 Shadow 遥操作系统以其卓越的表现，已经被众多高校及科研院所认可并服务于相关领域的教学与研究。

由于遥操作系统的系统复杂程度较高，所涉及的专业包括机器人、自动化、电子工程、计算机科学、生物医学、材料科学等多方面，部分高校借助类似Shadow 遥操作系统，还已经开发出例如自动控制原理、现代控制工程、计算机控制技术、机器人控制技术、智能控制基础与实践等多个相应课程，并在此基础上开展了自主控制、人机协作等领域研究，迭代出了许多移动、灵巧且能够跨多种操作体系的新型遥操作机器人，目前正处于研发到产业化的早期。

例如某高校与硅步合作，就开发了一套基于移动平台的沉浸式灵巧遥操作系统，希望借此将人类智能与机器力量和精度结合，用于增强人类能力，甚至提高人类的活动范围，未来在这种共生关系中，实现多任务机器人依靠人类的指导更好完成医疗手术、抢险排查等工作，同时保护人类免受危险的环境和任务的影响。

据机器人大讲堂了解，在高校实验室中，该沉浸式灵巧遥操作系统历经了多次研发升级，不仅通过集成Shadow的感知系统，还配备深度视觉和多模态数据手套，并实现了基于Leaomotion手势传感器的远程控制六轴机器人。通过手势传感器和机器人的结合，用户可以通过简单的手势操作来控制机器人的运动，并主动响应来自控制器的运动命令，实现更加直观、灵活的机器人控制方式，还消除了系统中不同组件之间造成的一些延迟。

这一系列的软硬件搭配，做到该系统可以实时捕捉和解析操作者手臂和手的精细运动，同时借助VR等配件，操作者通过佩戴定制的沉浸式头显，不仅能看到机器人的视角，还能通过分析得出人体手臂关节点空间位置数据，解析获取的腕部动作信息作为机械臂的控制输入信号，利用无线传输的方式实现人体手臂与机械臂的实时映射，达到远程即时控制机械臂的目的。

为了提高多模态感知能力，后续该研究不断优化升级的过程中，还以拟人化的思路，开发加入了便于移动的底盘以及一个升降杆结构，并通过优化质量分布、机械结构、驱动和通信，使得该系统具有更精确的自动定位和轨迹规划能力，提升了该系统的空间操作能力以及处理能力。

可以预见，这套遥操作系统通过高度机动、灵巧的控制方式，将会很大程度上改变行业和人类对灾难响应的能力，具备移动性、智能化的控制系统及人机交互式遥操作系统，未来有望能够应用于更复杂的作业环境，有效实现多元化环境下的人工替代。

▍结语与未来

遥操作使得我们的机器人应用正处于一个重要的历史转折点。遥想未来，一台机器人可能就会是我们的一个代理，它们能由人类控制，利用人的智力、知识、本能、直觉和判断力进行处理很多新事物，由于能够与人类自己的身体以相同的姿态和方式进行物理操作，但安全且具有超人一样的力量、耐力和精度，这会为世界上的许多行业带来完全不同的改变。